DE10044742A1

DE10044742A1 - Elektronisch kommutierbarer Motor

Info

Publication number: DE10044742A1
Application number: DE10044742A
Authority: DE
Inventors: Joerg Sutter; Claude Berling; Wolfgang Schwenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-09-15
Filing date: 2000-09-09
Publication date: 2001-04-19
Also published as: KR20020033801A; DE50002111D1; KR100715385B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierbaren Motor, dessen Erregerwicklungen über Halbleiter-Endstufen von einer elektronischen Steuereinheit mittels PWM-Steuersignalen ansteuerbar sind, wobei der Steuereinheit ein Sollwert vorgebbar ist und die Steuereinheit entsprechende PWM-Steuersignale an die Halbleiter-Endstufen abgibt, wobei in der Steuereinheit eine Motorkennlinie abgespeichert ist, aus der für den Sollwert eine zugeordnete Betriebsnenndrehzahl ableitbar ist, und wobei die abgeleitete Betriebsnenndrehzahl mit der Istdrehzahl des Motors vergleichbar ist und beim Überschreiten einer vorgebbaren oder vorgegebenen Drehzahldifferenz zwischen Betriebsnenndrehzahl und der Istdrehzahl die Steuereinheit und/oder die Halbleiter-Endstufen abschaltbar ist (sind). Die Ableitung der Betriebsnenndrehzahl für den vorgegebenen Sollwert wird durch ein dreidimensionales, durch vier Koordinatenpunkte bestimmtes Kennlinienfeld erleichtert.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierbaren Motor, dessen Erreger wicklungen über Halbleiter-Endstufen von einer elektronischen Steuereinheit mittels PWM-Steuersignalen ansteuerbar sind, wobei der Steuereinheit ein Soll wert vorgebbar ist und die Steuereinheit entsprechende PWM-Steuersignale an die Halbleiter-Endstufen abgibt, wobei in der Steuereinheit eine Motorkennlinie abgespeichert ist, aus der für den Sollwert eine zugeordnete Betriebsnenndreh zahl ableitbar ist, und wobei die abgeleitete Betriebsnenndrehzahl mit der Ist drehzahl des Motors vergleichbar ist und beim Überschreiten einer vorgebbaren oder vorgegebenen Drehzahldifferenz zwischen Betriebsnenndrehzahl ist der Ist drehzahl die Steuereinheit und/oder die Halbleiter-Endstufen abschaltbar ist (sind).

Ein derartiger Motor ist aus der DE 198 04 874 A1 bekannt. Dabei werden die PWM-Steuersignale durch die Vorgabe des Sollwertes in ihrer Pulsweite festge legt. Der Vergleich der Betriebsnenndrehzahl, der dem Sollwert zugeordnet ist, mit der Istdrehzahl dient während des Dauerlaufbetriebes der Erfassung von starken Erhöhungen des von außen einwirkenden Sollwertes, um die Pulsweite nur allmählich auf den neuen Wert einzustellen. Da die Motorkennlinie sich in Abhängigkeit der Motorlast und des Sollwertes ändert, erfordert dies einen erheblichen Speicheraufwand in der Steuereinheit, um die zugeordnete Betriebs nenndrehzahl zu ermitteln.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Motor der eingangs erwähnten Art in der Steuereinheit mit einfachen Daten zu versehen, die mit minimalem Aufwand für eine vorgegebene Last die Ableitung der einem vorgegebenen Sollwert entspre chenden Betriebsnenndrehzahl wesentlich vereinfacht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die Motorkennlinie nur als dreidimensionales Kennlinienfeld mit vier Eckpunkten abgespeichert ist, die durch Koordination mit der kleinsten Pulsweite und den Grenzwerten der Versorgungsspannung sowie mit der größten Pulsweite und den Grenzwerten der Versorgungsspannung mit den jeweils zugeordneten Betriebsnenndrehzahlen festgelegt sind und dass in Abhängigkeit von der vorliegenden Versorgungs spannung, dem vorgegebenen Sollwert und den gespeicherten Koordinatenwerte des Kennlinienfeldes die Betriebsnenndrehzahl für den Vergleich mit der Ist drehzahl ableitbar ist.

Dabei wird die Tatsache ausgenützt, dass in vielen Fällen der Motor stets mit demselben Verbraucher belastet ist, wie z. B. bei einem Lüfterantrieb. Die vier Koordinatenwerte des Kennlinienfeldes berücksichtigen nicht nur die den vor gebbaren Sollwerten entsprechenden Pulsweiten der PWM-Steuersignale, son dern auch die Schwankungen der Versorgungsspannung und definieren ein Kennlinienfeld, das für die jeweils vorliegende Versorgungsspannung und die Ansteuerbedingungen die eindeutige und einfache Ableitung, d. h. Berechnung der zugeordneten Betriebsnenndrehzahl zulässt, wobei die Verbindungslinien der Eckpunkte des Kennlinienfeldes die Vorgaben für ein Rasterfeld geben und so die Ableitung von Zwischenwerten in den Koordinaten-Richtungen für die Versor gungsspannung (z. B. x-Koordinate) und die Pulsweiten (z. B. z-Richtung) er leichtern und zu der gesuchten Betriebsnenndrehzahl (in y-Richtung) führen.

Je nach Einsatz des Motors kann nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die vier Eckpunkte des Kennlinienfeldes bei vorgegebener Motorlast festgelegt sind. Der Motor kann dann auf einfache Weise für unterschiedliche Last, d. h. Verbraucher, ausgelegt werden.

Dabei kann nach einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Vergleich zwi schen der Betriebsnenndrehzahl und der Istdrehzahl während des Motordauer laufes kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen wiederholt durchführbar ist.

Der Sollwert kann auf einfache Weise mittels Potentiometer manuell vorgebbar sein, wobei der Steuereinheit ein mehr oder weniger großes Einstellsignal zuführ bar ist, das zur Abgabe zugeordneter PWM-Steuersignale für die Halbleiter-End stufen verwendet wird. Außerdem kann mit diesem Einstellsignal über die ge speicherte Motorkennlinie die zugeordnete Betriebsnenndrehzahl abgeleitet und zum Vergleich mit der sich einstellenden Istdrehzahl des Motors herangezogen werden. Die Istdrehzahl des Motors kann auf unterschiedliche, auch bekannte Arten erfasst werden.

Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Steuereinheit für den Vergleich der Betriebsnenndrehzahl und der Istdrehzahl eine Vergleichseinrichtung zugeordnet ist, die vorzugsweise in die Steuereinheit integriert ist.

Damit der Überlastschutz nicht auf kurze Störimpulse der Istdrehzahlmessung reagiert, sieht eine Ausgestaltung vor, dass die Abschaltung der Steuereinheit und/oder der Halbleiter-Endstufen zeitlich verzögert erfolgt.

Geht dem Dauerlauf des Motors eine Hochlaufphase voraus, dann kann der Überlastschutz so ausgeführt sein, dass der Vergleich der Betriebsnenndrehzahl und der Istdrehzahl erst nach Ablauf einer Hochlaufphase mit vorgegebener Dau er einleitbar und durchführbar ist, damit es in dieser Betriebsphase zu keiner Fehlabschaltung kommt. Die Hochlaufphase kann durch die Steuereinheit vor gegeben werden, wobei als Parameter die Amplitude der Pulse und die Pulsweite der PWM-Steuersignale als auch deren Kommutierungsfrequenz und dgl. ver wendet werden kann. Die Hochlaufphase des Motors ist dabei mit der Einschal tung der Steuereinheit und/oder der Halbleiter-Endstufen und/oder der Vorgabe eines Sollwertes für die Steuereinheit einleitbar.

Die Erfindung wird anhand eines als in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Funktionseinheiten des Motors und

Fig. 2 ein in der Steuereinheit abgespeichertes Kennlinienfeld.

Wie das Blockschaltbild nach Fig. 1 zeigt, umfasst die Motoreinheit eine elektronische Steuereinheit STE, der eine Vergleichseinrichtung VE zugeordnet ist. Dieser Steuereinheit STE wird für einen gewünschten Dauerbetrieb ein entsprechend eingestellter Sollwert N_sollv vorgegeben. Damit werden nach einer Hochlaufphase entsprechend bemessene PWM-Steuersignal pwm an die Halblei ter-Endstufen EST abgegeben, die entsprechend der Pulsweiten dieser PWM- Steuersignale pwm die Erregerwicklungen des Motors M bestromen. Darauf stellt sich ein Istdrehzahl N_ist am Motor M ein, die auf bekannte Art erfasst und als Signal einer Vergleichseinrichtung VE zugeführt wird, die in der Steuereinheit STE integriert sein kann. In der Steuereinheit STE ist eine Motorkennlinie ab gespeichert, die für jeden Sollwert N_sollv die Ableitung einer Betriebsnenn drehzahl n_x erlaubt. Diese Betriebsnenndrehzahl n_x wird mehr oder weniger genau bei dem vorgegebenen Sollwert N_sollv erhalten, wenn die Steuereinheit STE, die Halbleiter-Endstufen EST und der Motor M fehlerfrei arbeiten und keine Bedingungen vorliegen, die zu einem Abfall der Istdrehzahl N_ist führen.

Die Betriebsnenndrehzahl n_x wird wie die Istdrehzahl N_ist der Vergleichsein richtung VE zugeführt und es wird eine Drehzahlabweichung ΔN ermittelt. Liegt die Istdrehzahl N_ist mehr als eine vorgegebene oder vorgebbare Drehzahlab weichung ΔN unter der erwarteten Betriebsnenndrehzahl n_x, dann liegt ein Fehler vor, der im Dauerbetrieb zu einer Überlastung führen kann. Daher wird durch die Vergleichseinrichtung VE ein Abschaltesignal AB erzeugt, mit dem die Steuer einheit STE und/oder die Halbleiter-Endstufen EST abgeschaltet werden können, wie die Kontakte ab im Stromkreis der Versorgungsspannung U_batt andeuten.

Wird der Sollwert N_sollv verändert, dann verändern sich auch die PWM-Steuer signale pwm und demzufolge die Istdrehzahl N_ist des Motors M. Der Vergleichs einrichtung VE wird eine entsprechend neue Betriebsnenndrehzahl n_x zugeführt und der Vergleich erfolgt in derselben Weise für den neuen Dauerlauf mit ver änderter Drehzahl.

Die Abschaltung der Steuereinheit STE und/oder der Halbleiter-Endstufen EST kann auch verzögert eingeleitet werden, um Störspitzen in den abgeleiteten und erfassten Drehzahlwerten zu unterdrücken.

Die zulässige Drehzahlabweichung ΔN kann auch von der Größe des vorgegebe nen Sollwertes N_sollv und der vorliegenden Größe der Versorgungsspannung u_x abhängig gemacht werden. Der Vergleich durch die Vergleichseinrichtung VE kann während des Dauerlaufes kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen wie derholt durchgeführt werden. Außerdem kann der Überlastschutz durch den Ver gleich und die Abschaltung erst nach Erreichen der durch den Sollwert vorge gebenen Betriebsnenndrehzahl, d. h. nach Ablauf einer vorgegebenen oder vor gebbaren Hochlaufzeit, wirksam geschaltet werden. Die Hochlaufzeit kann dabei mit der Einschaltung, d. h. dem Anlegen der Versorgungsspannung u_x der Steuer schaltung STE und/oder der Halbleiter-Endstufen EST und/oder mit dem Anlegen eines vorgegebenen Sollwertes N_sollv an die Steuereinheit STE gestartet werden.

Die von der Steuereinheit STE abgeleitete und errechnete Betriebsnenndrehzahl n_x ist nicht nur abhängig von der vorliegenden Versorgungsspannung u_x mit ih ren Grenzwerten u₁ und u₂, sondern auch von den abgespeicherten Drehzahlen n₁₁, n₁₂, n₂₁, n₂₂ der Eckpunkte des Kennlinienfeldes KF, wie die Angabe n_x = f(N_sollv, u₁, u₂, n₁₁, n₁₂, n₂₁, n₂₂) in Figur andeutet und wie später noch erläutert wird.

Wie das dreidimensionale Kennlinienfeld KF nach Fig. 2 zeigt, ist in x-Richtung der Spannungsbereiche von U_max bis U_min aufgetragen, während in z-Richtung die Pulsweite von pwm_min bis pwm_max reicht. Im Ausführungsbeispiel ist U_max = 13 V und U_min = 8 V gewählt und die Pulsweite hat einen Bereich von pwm_min = 60% bis pwm_max = 100%. Für die kleinste Versorgungsspannung ergeben sich bei pwm_min = 60% und pwm_max = 100% Betriebsnenndrehzahlen von n₁₁ = 50 min^-1 und n₂₁ = 1800 mm^-1, während für die größte Versorgungsspannung bei pwm_min = 60% und pwm_max = 100% Betriebsnenndrehzahlen n₁₂ = 150 min^-1 und n₂₂ = 2900 min ergeben. Diese Betriebsnenndrehzahlen n₁₁ bis n₂₂ definieren die vier Eckpunkte P1 bis P4 im dreidimensionalen Kennlinienfeld KF. Die Verbindungslinien zwischen den Eckpunkten n₁₁ und n₂₁ bzw. n₁₁ und n₁₂ bzw. n₂₁ und n₂₂ bzw. n₁₂ und n₂₂ lassen die Bildung eines Rasterfeldes zu, das für vorliegende Versorgungsspannungen U_x und einem Sollwert entsprechender Pulsweite pwm_x die Ableitung der zugeordneten Betriebsnenndrehzahlen n_x auf der Geraden n_1x-n_2x zulässt. So kann bei einer Versorgungsspannung von U_x = 10,5 V und einer Pulsweite von ca. 87% aus dem Kennlinienfeld KF eine Be triebsnenndrehzahl von ca. 1800 min. 1 interpoliert werden.

Dieses Kennlinienfeld KF gilt für einen bestimmten Motor für eine vorgegebene, gleichbleibende Last. Für eine andere Last kann ein dafür gültiges Kennlinienfeld KF in der Steuereinheit STE abgespeichert werden.

Wie das dreidimensionale Kennlinienfeld KF nach Fig. 2 zeigt, ist in x-Richtung die Versorgungsspannung u_x mit dem Spannungsbereich von der kleinsten Ver sorgungsspannung u₁ = 8 V bis zur größten Versorgungsspannung u₂ = 13 V aufgetragen. In z-Richtung ist die Pulsweite pwm der PWM-Steuersignale vor gegeben, die von der minimalen Pulsweite pwm₁ = 60% bis zur maximalen Pulsweite pwm₂ = 100% reichen kann. Bei vorgegebener Last des Motors wer den vier Grenz-Betriebsfälle mit u₁ und pwm₁, u₁ und pwm₂, u₂ und pwm₁ sowie u₂ und pwm₂ ermittelt, die zu den Betriebsnenndrehzahlen n_x = n₁, n₁₂, n₂₁ und n₂₂ führen und damit das Kennlinienfeld KF nach Fig. 2 definieren.

Wird der Motor M mit einer anderen Last belastet, dann ergibt sich ein ähnliches Kennlinienfeld KF mit neuen Betriebsnenndrehzahlen n₁₁, n₁₂, n₂₁ und n₂₂.

Für das in Fig. 2 dargestellte Kennlinienfeld KF eines Ausführungsbeispiels ergeben sich folgende Werte:
n₁₁ = 50 min^-1 bei u₁ = 8 V und pwm₁ = 60%
n₁₂ = 150 min^-1 bei u₂ = 13 V und pwm₁ = 60%
n₂₁= 1800 min^-1 bei u₁ = 8 V und pwm₂= 100%
n₂₂ = 2900 min^-1 bei u₂ = 13 V und pwm₂ = 100%.

Das Kennlinienfeld KF lässt sich als Rasterfeld darstellen, wobei die Ver bindungslinien zwischen den Eckpunkten n₁₁ und n₁₂ bzw. n₂₁ und n₂₂ sowie n₁₁ und n₂₂ bzw. n₁₂ und n₂₂ die Rasterung vorgeben und wie gezeigt ist, für eine vorliegende Versorgungsspannung u_x die Ableitung der zugeordneten Betriebs nenndrehzahl n_x bei vorliegendem PWM-Steuersignal p_x ermöglicht. Das PWM- Steuersignal pwm_x ist dem vorgegebenen Sollwert N_sollv zugeordnet.

Wie die Rasterlinie n_x1-n_X2 zeigt, führt bei u_x = 10,5 V und einer Pulsweite von pwm_x ≈ 87,5% die Ableitung der Betriebsnenndrehzahl n_x zu einem Wert von etwa 1800 min.^-1.

Für die Berechnung der einem Sollwert N_sollv zugeordneten Betriebsnenndrehzahl n_x wird wie folgt verfahren:

Darin bedeuten:
stg₁ -
stg₂ -
stgs₃ -

Da rechnerintern nicht mit der Drehzahl, sondern mit ihrem Kehrwert gearbeitet wird, muss obige Gleichung zur Berechnung des Flächenpunktes n_x entspre chend umgestellt werden. Mit T_x = a/n_x folgt:

In voranstehender Formel sind lediglich die Versorgungsspannung u_x und die Pulsweite der Endstufenansteuerung pwm_x variabel. Die restlichen Faktoren können als feste Parameter im ROM oder EEPROM abgelegt werden. Nachfol gend nochmals die gleiche Formel mit den im Programmcode verwendeten Va riablennamen.

Bei der Bandendeprogrammierung sind nun die entsprechenden Parameter vom Prüfstand in das EEPROM der Motorsteuerung zu übertragen.

Claims

1. Elektronisch kommutierbarer Motor, dessen Erregerwicklungen über Halb leiter-Endstufen (EST) von einer elektronischen Steuereinheit (STE) mittels PWM-Steuersignalen (PWM_end) ansteuerbar sind, wobei der Steuereinheit (STE) ein Sollwert (N_sollv) vorgebbar ist und die Steuereinheit (STE) entsprechende PWM-Steuersignale (PWM) an die Halbleiter-Endstufen (EST) abgibt, wobei in der Steuereinheit (STE) eine Motorkennlinie abgespeichert ist, aus der für den Sollwert (N_sollv) eine zugeordnete Betriebsnenndrehzahl (n_x) ableitbar ist, und wobei die abgeleitete Betriebsnenndrehzahl (n_x) mit der Istdrehzahl (N_ist) des Motors (M) vergleichbar ist und beim Überschreiten einer vorgebbaren oder vorge gebenen Drehzahldifferenz (ΔN) zwischen Betriebsnenndrehzahl (n_x) ist der Istdrehzahl (N_ist) die Steuereinheit (STE) und/oder die Halbleiter- Endstufen (EST) abschaltbar ist (sind), dadurch gekennzeichnet,
dass die Motorkennlinie nur als dreidimensionales Kennlinienfeld (KF) mit vier Eckpunkten abgespeichert ist, die durch Koordination (x, y, z) mit der kleinsten Pulsweite (pwm₁ = 60%) und den Grenzwerten (u₁ z. B. 8 V, u₂ z. B. 13 V) der Versorgungsspannung (u) sowie mit der größten Pulsweite (pwm₂ z. B. 100%) und den Grenzwerten (u₁ z. B. 8 V, u₂ z. B. 13 V) der Versorgungsspannung (u) mit den jeweils zugeordneten Betriebsnenn drehzahlen (n11, n12, n21, n22) festgelegt sind und
dass in Abhängigkeit von der vorliegenden Versorgungsspannung (u_x), dem vorgegebenen Sollwert (N_sollv) und den gespeicherten Koordinaten werte des Kennlinienfeldes (KF) die Betriebsnenndrehzahl (n_x) für den Vergleich mit der Istdrehzahl (N_ist) ableitbar ist.

2. Elektronisch kommutierbarer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Eckpunkte des Kennlinienfeldes (KF) bei vorgegebener Motorlast festgelegt sind.

3. Elektronisch kommutierbarer Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich zwischen der Betriebsnenndrehzahl (n_x) und der Ist drehzahl (N_ist) während des Motordauerlaufes kontinuierlich oder in zeit lichen Abständen wiederholt durchführbar ist.

4. Elektronisch kommutierbarer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (N_sollv) mittels Potentiometer manuell vorgebbar ist.

5. Elektronisch kommutierbarer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit (STE) für den Vergleich der Betriebsnenndrehzahl (n_x) und der Istdrehzahl (N_ist) eine Vergleichseinrichtung (VE) zugeordnet ist, die vorzugsweise in die Steuereinheit (STE) integriert ist.

6. Elektronisch kommutierbarer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltung (AB) der Steuereinheit (STE) und/oder der Halbleiter- Endstufen (EST) zeitlich verzögert erfolgt.

7. Elektronisch kommutierbarer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der Betriebsnenndrehzahl (n_x) und der Istdrehzahl (N_ist) erst nach Ablauf einer Hochlaufphase mit vorgegebener Dauer einleitbar und durchführbar ist.

8. Elektronisch kommutierbarer Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochlaufphase mit der Einschaltung der Steuereinheit (STE) und/ oder der Halbleiter-Endstufen (EST) und/oder der Vorgabe eines Soll wertes(N_sollv) einleitbar ist.